Sửa chữa và bảo vệ DNA
Trên phân tử DNA có thể xuất hiện nhiều biến đổi do sai hỏng trong quá trình trao đổi chất,
do các tác nhân gây đột biến vật lý và hóa học của môi trường. Tuy nhiên, genome luôn có độ ổn
định cao nhờ các cơ chế sửa chữa và bảo vệ DNA. DNA là phân tử duy nhất, mà khi biến đổi hay
bị phá hỏng vẫn có khả năng được sửa chữa nhờ tế bào. Các cơ chế sửa sai rất đa dạng và có hiệu
quả cao. Ba quá trình bao gồm sửa sai, tái bản và tái tổ hợp DNA liên quan chặt chẽ với nhau. Đây
cũng là một minh chứng về sự phối hợp chặt chẽ giữa nhiều cơ chế di truyền.
I. Khái quát về các cơ chế sửa sai
Hầu hết các đột biến trên phân tử DNA thường được khắc phục bằng hai phương thức chính:
- Sửa chữa phục hồi trực tiếp (direct reversal repair), hoặc:
- Cắt bỏ sai hỏng và sửa chữa lại bằng cách dùng trình tự bổ sung (damage excision and
repair using complementary sequence).
Sửa chữa trực tiếp thường liên quan đến hai loại sai hỏng trên phân tử DNA do tia tử ngoại
gây ra là: cyclobutane-pyrimidine dimer (CPDs) và pyrimidine (6-4) pyrimidone (6-4 PPs). Hai loại
sai hỏng này đều làm biến dạng cấu trúc xoắn của DNA. CPDs và 6-4 PPs được nhận biết và sửa
chữa nhờ enzyme photolyase. Enzyme này sử dụng năng lượng ánh sáng để thực hiện phản ứng
làm thay đổi các liên kết hóa học để nucleotide trở lại dạng bình thường. Phản ứng sửa chữa DNA
bằng photolyase xảy ra trong rất nhiều sinh vật prokaryote và eukaryote. Tuy nhiên, quá trình này
không thấy ở động vật có vú. Ở người cũng chưa phát hiện được bất kỳ loại photolyase nào.
Đa số sai hỏng của DNA được sửa chữa bằng phương thức thứ hai. Cơ chế này phải sử dụng
thông tin di truyền chứa ở một trong hai sợi đơn DNA. Khi trình tự nucleotide trên một sợi bị thay
đổi thì sợi thứ hai (liên kết bổ sung với sợi thứ nhất) được dùng làm khuôn mẫu để sửa chữa những
sai hỏng đó. Một số cơ chế sửa chữa như sau:
- Hệ thống sửa chữa nhận biết các trình tự DNA không thích hợp với các cặp base chuẩn và
thay thế chúng.
- Hệ thống sửa chữa-cắt bỏ (excision-repair system) loại đi một đoạn DNA ở vị trí sai hỏng
và sau đó thay thế nó.
- Hệ thống sửa chữa-tái tổ hợp (recombinant-repair system) sử dụng phương thức tái tổ hợp
để thay thế vùng sợi đôi bị sai hỏng.
Các hệ thống sửa chữa cũng phức tạp như bộ máy tái bản của nó, điều đó cho thấy tầm quan
trọng của chúng đối với sự sống của tế bào. Khi hệ thống sửa chữa phục hồi một sai hỏng của

- Liên kết chéo giữa các mạch (interstand crosslink).
Trên đây là các biến đổi ngẫu nhiên, nếu có tác động của các tác nhân gây đột biến các biến
đổi sẽ xảy ra nhiều hơn.
2. Khái quát các cơ chế sửa chữa ở mức phân tử
Sự nguyên vẹn của phân tử DNA mang thông tin di truyền có ý nghĩa sống còn đối với tế
bào, nhất là tế bào prokaryote. Ở tế bào vi khuẩn, có đến 50% DNA không bị biến đổi thậm chí sau
khi tái bản đến 100 triệu lần. Sự ổn định cao của DNA tế bào có được nhờ hàng loạt các cơ chế bảo
vệ sự nguyên vẹn và sửa chữa ngay lập tức bất kỳ sai hỏng nào vừa xuất hiện.
Các hệ thống sửa sai rất đa dạng và có hiệu quả rất cao ở E. coli. Có khoảng 100 locus tham
gia trực tiếp hoặc gián tiếp vào việc bảo vệ DNA và sửa sai.
Chỉ với DNA, tế bào phải đầu tư rất lớn cho sự ổn định của thông tin di truyền. Nếu như sự
tái bản chỉ xảy ra khi phân bào, thì các cơ chế sửa sai phải hoạt động liên tục. Tái bản được thực
hiện với cơ chế về cơ bản giống nhau ở các loại tế bào và trong mỗi lần nhân đôi DNA. Trong khi
đó, sai hỏng xảy ra rất đa dạng, nên các cơ chế sửa sai nhiều hơn và với số lượng gen tham gia lớn
hơn. Hơn nữa, các cơ chế di truyền cơ bản như tái bản, tái tổ hợp DNA đều có sự tham gia của các
cơ chế sửa sai và ngược lại sửa sai cần đến tái bản và tái tổ hợp.
3. Biến đổi làm tăng tần số đột biến
Nhờ các cơ chế sửa sai nên bình thường DNA tế bào có độ ổn định rất lớn, thường sự thay
thế base có tần số 10
-9
-10
-10
. Tuy nhiên, người ta đã phát hiện được các dòng đột biến ngẫu nhiên
tăng cao hơn hẳn, chúng được gọi là mutator (nhân tố gây đột biến). Trong nhiều trường hợp, các
kiểu hình mutator liên quan đến sai hỏng trong hệ thống sửa sai. Ở E. coli, các locus mutator mutH,
mutL, mutU và mutS tác động đến các cấu phần của hệ thống sửa sai do ghép đôi lệch (mismatch-
repair) sau tái bản nên đã làm cho tần số đột biến ngẫu nhiên tăng cao.
Ngoài mutator, sự sai hỏng làm tăng tính nhạy cảm với tia tử ngoại (ultraviolet) và tăng sai
hỏng khi tái tổ hợp.
II. Các kiểu sửa chữa

- Loại bỏ chỗ sai trong tái bản (errors in replication).
- Loại bỏ ghép đôi lệch bên trong các đoạn trung gian của tái tổ hợp (mismatch within
recombinant intermediates).